Caça à matéria escura

Vista de baixo para cima da Experiência Great Underground Xenon Dark Matter

É uma pena que os físicos pobres procurem matéria escura - uma substância exótica, da qual consiste cerca de um quarto de toda a matéria no espaço, interagindo com o resto do Universo apenas através da gravidade e da interação fraca. E uma semana não passa sem um novo indício de matéria escura provocando os físicos, surgindo na fronteira do erro estatístico e depois desaparecendo, quebrando suas esperanças.

Para procurar matéria escura, é realizado um grande número de experimentos, uma sopa inteira de letras das abreviaturas, e cada um usa sua própria técnica e tecnologia. Portanto, os físicos precisam procurar algo cujas propriedades exatas são desconhecidas para eles. O problema é que, embora vários indícios de matéria escura tenham sido descobertos em várias experiências, eles não são consistentes entre si. Se você colocar os resultados de diferentes experiências em cores diferentes em um gráfico, será semelhante à arte abstrata.

Há 6 anos, Juan Colard, da Universidade de Chicago, estava cheio de esperança na detecção precoce da matéria escura. Mas cada resultado subsequente parecia apontar para uma nova direção. Não é surpresa que ele comece seu relatório parafraseando The Big Lebowski: "Somos niilistas, não acreditamos em nada".

"Nos últimos anos, parece que estamos perseguindo nosso próprio rabo", disse Kolar em entrevista.

A boa notícia é que talvez algo esteja bicando novamente. Os físicos vêem sinais nos céus e nas profundezas do subsolo e procuram outros sinais no Large Hadron Collider, que também participa da caça à matéria escura. O sussurro sobre a matéria escura se torna mais alto e vários sinais parecem começar a convergir. A má notícia é que essas dicas ainda não são consistentes e cada uma não é muito confiável, de acordo com Kathryn Zurek, da Universidade de Michigan. Muitos físicos são céticos quanto a sinais de matéria escura. Alguns geralmente são viciados em niilismo, como Kolar, que disse: "É difícil não ser niilista, dado o andamento das coisas".

Matéria misteriosa

A matéria visível usual - planetas, estrelas, galáxias, tudo o resto - representa apenas 4,9% de tudo o que existe no Universo. A maior parte, 68,3%, consiste em energia escura, responsável pela expansão acelerada do espaço. O restante - 26,8% - consiste em matéria escura.

Se os físicos não sabem exatamente o que é a matéria escura, eles têm certeza de sua existência. O conceito surgiu em 1933, quando Fritz Zwicky analisou as velocidades das galáxias em um aglomerado e chegou à conclusão de que a atração gravitacional exercida pela matéria visível não pode impedir que as galáxias se movam em alta velocidade escapem do aglomerado. Décadas depois, Vera Rubin e Kent Ford encontraram mais uma evidência da "matéria escura" de Zwicky, observando estrelas girando na borda das galáxias. As estrelas deveriam se mover mais devagar quanto mais longe estavam do centro das galáxias, assim como os planetas externos do nosso sistema solar se movem ao redor do sol mais lentamente. Em vez disso, as estrelas externas se moveram tão rápido quanto as estrelas mais próximas do centro, mas as galáxias não decaíram. Algo complementou a atração gravitacional.

A matéria escura não era a única explicação. Talvez fosse necessário consertar o modelo de gravidade de Einstein. Muitos modelos alternativos foram propostos, como o MOND (dinâmica newtoniana modificada). A própria Rubin já se inclinou a isso e disse em uma entrevista à New Scientist em 2005 que "era uma opção mais atraente do que o Universo preenchido com um novo tipo de partículas subnucleares".


A massa total de galáxias no cluster Bullet é muito menor que a massa de duas nuvens no cluster, consistindo em gases quentes emitindo raios-X (marcados em vermelho). Áreas azuis, ainda mais massivas do que todas as galáxias e nuvens juntas, mostram a distribuição da matéria escura

Mas a natureza é marginalizada por nossas preferências estéticas. Em 2006, a impressionante imagem do Bullet Cluster (1E 0657-56) pôs fim a essa questão. Nele estavam visíveis dois aglomerados de galáxias passando um pelo outro, e seus gases, colidindo, criaram uma onda de choque na forma de uma bala. Os resultados da análise foram surpreendentes: gás quente (matéria comum) acumulado em formações mais densas no centro onde ocorreu a colisão e, por outro lado, o que só poderia ser matéria escura acumulada. Quando os aglomerados colidiam, a matéria escura passava, já que raramente interage com a matéria comum.

"Acho que, nesta fase, podemos ter certeza da existência de matéria escura", diz Dan Hooper, físico da Universidade de Chicago. "Até onde eu sei, nenhuma teoria da gravidade modificada explica isso".

Um dos principais candidatos a partículas de matéria escura é a classe de partículas massivas que interagem fracamente, o WIMP, semelhante a outra partícula subatômica, um neutrino, que também raramente interage com outra matéria. Após a descoberta do bóson de Higgs , uma era da física de partículas terminou e a atenção do público está mudando para uma nova grande descoberta. O cosmologista Michael Turner, da Universidade de Chicago, disse que considera esta década a década do WIMP .

Sinal / ruído

A maioria dos teóricos se inclinou inicialmente à pesada variante WIMP e acreditava que a matéria escura consiste em partículas pesando cerca de 100 GeV. Massas de partículas subatômicas são medidas em unidades de energia de massa, elétron-volts. Por exemplo, a massa de um próton é de 1 GeV. Mas as evidências mais recentes parecem apoiar a opção de partículas de luz, nas quais sua massa está na faixa de 7 a 10 GeV. Por isso, é difícil registrá-los diretamente, pois muitos experimentos dependem da medição do recuo do núcleo.

Tais experimentos geralmente são conduzidos no subsolo - para filtrar melhor os raios cósmicos, que podem ser facilmente confundidos com os sinais da matéria escura. Eles envolvem um detector com material-alvo cuidadosamente selecionado, por exemplo, cristais de germânio ou silício ou xenônio líquido. Então os físicos esperam casos raros de colisão de partículas de matéria escura e núcleos atômicos do material alvo. Isso deve resultar em flashes de luz e, se forem brilhantes o suficiente, o detector os gravará.

Isso significa que, para detectar uma partícula de matéria escura, ela deve transportar energia suficiente para produzir um sinal acima do limiar de sensibilidade do detector quando colidir com o núcleo. E WIMPs leves são menos propensos a fazer isso. Neil Weiner, da NYU, diz que a diferença nos cenários WIMP é a mesma que a diferença entre colisões entre duas bolas de boliche e uma bola de ping pong com uma bola de boliche. "Uma partícula cineticamente pesada é muito mais fácil de transferir essa energia do que a luz", diz ele.

Como os físicos procuram matéria escura? Observe as rajadas nos dados coletados pelos detectores. A intensidade do sinal é determinada pelo número de desvios estatísticos padrão, ou sigma, do valor de fundo esperado. Essa métrica geralmente é comparada a uma coroa de moedas várias vezes seguidas. O resultado de três sigma já é uma dica séria, equivalente à perda de uma moeda por um lado nove vezes seguidas.

Muitos desses sinais são atenuados ou desaparecem, tornando-se estatisticamente menos importantes com o advento de novos dados. O padrão-ouro da descoberta é cinco sigma , o equivalente a cair em 21 caudas seguidas. Se várias pessoas jogam moedas ao mesmo tempo, e todo mundo tem coroa várias vezes seguidas - ou várias experiências encontram um sinal de três sigma em uma diferença de massa - até um resultado improvável se torna possível.

Alguns dos indícios de matéria escura estão na área complicada de 2,8 sigma. "Todos esses resultados promissores podem ser rejeitados em uma semana", disse Matthew Buckley, do National Accelerator Laboratory. Enrico Fermi (Fermilab). "Mas essas coisas sempre começam com dicas." Quando você coleta mais dados, a dica se torna estatisticamente mais significativa. ”

O ruído de fundo complica a tarefa. "Você está procurando um" sinal ". "Antecedentes" é tudo o mais que se assemelha ao seu sinal e dificulta sua localização ", escreveu Matthew Strasler, físico da Rutgers University, em um blog em julho de 2011 . Mais tarde, ele acrescentou: “Se você não levar em conta o pequeno cenário, ele geralmente sairá na forma de colisões adicionais de baixa energia, que se parecerão muito com WIMPs leves. Em outras palavras, a matéria escura clara parece um sinal errôneo. ”

Strasler comparou a tarefa a tentar encontrar um grupo de pessoas em uma sala cheia de pessoas . Se seus amigos usarem as mesmas jaquetas vermelhas brilhantes e todo mundo usar roupas de outras cores, será fácil encontrar um sinal. Se outras pessoas também usarem jaquetas vermelhas brilhantes, grupos aleatórios de estranhos esconderão o sinal. Imagine que você calculou incorretamente o número de pessoas em jaquetas vermelhas ou mesmo que seja daltônico. Em qualquer um desses casos, você fará a conclusão errada: você encontrou seus amigos quando, de fato, o sinal é um grupo aleatório de estranhos.

Evidência para hoje

Apesar desses desafios, vários experimentos levaram a alguns resultados promissores, embora controversos. Há mais de dez anos, o experimento DAMA / LIBRA (pesquisa de matéria escura usando um detector de iodeto de potássio com adição de tálio), localizado nas profundezas da montanha Gran Sasso d'Italia, no centro da Itália, encontrou pequenas flutuações no número de colisões por ano. Um grupo de cientistas disse ter descoberto uma partícula de matéria escura na forma de um WIMP leve pesando cerca de 10 GeV.


DAMA / LIBRA

Outros físicos levantaram sérias dúvidas. Embora o sinal do DAMA / LIBRA realmente fosse, poderia ser evidência de outra coisa. O fato de que em outro experimento, o XENON10 , localizado nas entranhas da mesma montanha, não conseguiu detectar o sinal no mesmo espaço de energia, não ajudou. O mesmo aconteceu com o experimento CDMSII , realizado em uma mina profunda no Sudão, Minnesota. Ambos os experimentos recentes foram sensíveis o suficiente para detectar um sinal dessa energia se o resultado do DAMA / LIBRA realmente estivesse relacionado à energia escura.

Outro experimento, o CRESST , detectou um sinal. Mas não correspondia totalmente ao sinal do DAMA / LIBRA, e sua análise não levou em consideração todos os possíveis ruídos de fundo que pudessem emular o sinal desejado. Além disso, o DAMA / LIBRA irritou os cientistas ao se recusar a compartilhar os dados com o público para que outros pudessem estudá-los.

Ao discutir as diferenças entre os experimentos, muitas vezes as paixões fervem. "Acontece que você faz um relatório sobre a matéria escura e tudo acaba em uma briga", diz Buckley.

Mas o resultado do grupo italiano de cientistas se mostrou bastante estável. Kolar, juntamente com outros críticos fervorosos, decidiu provar a falácia das descobertas do DAMA / LIBRA, organizando seu experimento, chamado CoGeNT . Em 2011, esse plano desmoronou, pois uma análise preliminar dos dados do CoGeNT confirmou os resultados.

"Criamos o CoGeNT com a intenção de expor o DAMA e agora estamos subitamente presos no mesmo espaço de parâmetros", diz Kolar. No entanto, devido a um incêndio na mina do Sudão em que o experimento ocorreu, foram obtidas descobertas iniciais a partir de dados que cobriam um período de apenas 15 meses. E eles mostram outro sinal de 2,8 sigma. Agora, a equipe da Kolar está analisando os dados obtidos para todos os três anos e meio do experimento, o que deve fortalecer esse sinal - se for real.


Experimento CoGeNT

Dúvidas não foram embora. Os resultados do CDMSII mostram três eventos da mesma região de 10 GeV. Dois anos antes, dois eventos semelhantes à matéria escura foram registrados no CDMSII, mas após uma análise cuidadosa, eles foram descartados. Desta vez, "tivemos três eventos claros", diz Zurek.

"Se alguém visse matéria escura, seria assim", diz ela. Porém, devido ao fato de ainda estarem no limite de 2,8 sigma, "ninguém acreditará que esses três eventos tenham ocorrido devido à matéria escura até que outra pessoa a veja". As evidências mais recentes já levaram os físicos do XENON10 a revisar sua análise e concluíram que eles rejeitaram erroneamente sugestões dos WIMPs de pulmão encontrados no DAMA / LIBRA.

De repente, a variante WIMP clara é pelo menos provável e é suportada pela análise de Hooper dos raios gama emitidos a partir do centro da nossa Via Láctea, mostrando sinais de um sinal de matéria escura correspondente à variante de 10 GeV.

Mas essa não é a única opção. O WIMP sem dinâmica interessante - não importa a quantidade de massa - é apenas a versão mais simples da matéria escura. Pode haver vários tipos de partículas de matéria escura, com diferentes tipos de interações através de forças das trevas que compõem todo o "setor escuro" do Universo, que os teóricos estão apenas começando a explorar. Weiner acredita que os modelos com poder sombrio são "a maneira mais direta de explicar algumas dessas anomalias", mas alerta que a demonstração do protótipo ainda está muito longe. Zyurek concorda: "Em princípio, podemos escrever qualquer número de teorias, mas a natureza precisará apenas escolher uma", diz ela.

Quando podemos descobrir se todas essas dicas são reais? Talvez durante o ano, talvez tenha que esperar muito mais tempo. No entanto, os físicos que tentam encontrar matéria escura podem em breve encontrar restrições mais pragmáticas: cortes no orçamento. Uma variedade de experimentos é importante para pesquisas. "Como não sabemos por que a matéria escura da física de partículas interage com a normal, vários experimentos diferentes minimizam a chance de falta de matéria escura devido à escolha errada, e se algo for encontrado em várias experiências, será possível descartar modelos teóricos muito mais rapidamente", disse Buckley. No entanto, todas as experiências são necessárias para relatar os resultados ao Departamento de Energia dos EUA, e apenas 2-3 delas poderão sobreviver.

"O departamento está colocando as coisas em ordem", diz Kolar. - A diversidade é boa, mas a quantidade de dinheiro é limitada. Se os detectores em construção falharem, será muito difícil encontrar motivação para continuar. ”

Nota do tradutor; desde a redação do artigo original:

• O detector CRESST foi atualizado em 2015, aumentando a sensibilidade em 100 vezes, para que agora ele possa detectar partículas de matéria escura com uma massa aproximadamente igual à massa do próton. Ele está sendo substituído pelo experimento European Underground Rare Event Calorimeter Array (EURECA).
• Detector CDMSII substituído pelo detector SuperCDMS da próxima geração
• Os resultados do experimento CoGeNT foram processados ​​e concluiu-se que os sinais recebidos como WIMP não foram contabilizados quanto ao ruído de fundo.
• Em 2016, o detector XENON10 foi substituído pelo XENON1T mais sensível, aumentando a sensibilidade em 100 vezes.
• Para reproduzir o sensor DAMA / LIBRA na Austrália, está sendo construído o Stawell Underground Physics Laboratory (SUPL).
• Em fevereiro de 2017, nenhuma evidência convincente foi obtida da detecção de partículas de matéria escura.